DE10043579B4

DE10043579B4 - Brennkraftmaschine mit einer Kühler und Kühlerlüfter enthaltenden Kühlanlage für ein Fahrzeug, insbesondere im Eisenbahnverkehr

Info

Publication number: DE10043579B4
Application number: DE10043579A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Nick
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: DE10043579A1

Abstract

Brennkraftmaschine (2) für ein Fahrzeug mit einer Kühler (7a, 7b, 7c) und elektrisch angetriebene Kühlerlüfter (9a, 9b, 9c) enthaltenden Kühlanlage, sowie mit von der Brennkraftmaschine (2) angetriebenem Generator (3, 3') zur Erzeugung von Drehstrom mit einer der jeweiligen Motordrehzahl proportionalen Frequenz, wobei der erzeugte Drehstrom für den Antrieb der Kühlerlüfter (9a, 9b, 9c) genutzt wird, und wobei für den Antrieb der Kühlerlüfter (9a, 9b, 9c) elektrische Lüftermotoren (5a, 5b, 5c), insbesondere Asynchronmotoren, deren Drehzahl der Motordrehzahl proportional ist, benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstromgenerator (3, 3') mit einem Verbraucher (4) mit im wesentlichen konstantem Leistungsbedarf und mit den elektrischen Lüftermotoren (5a, 5b, 5c) gekoppelt ist, wobei der Drehstromgenerator (3, 3') bei Antrieb im Motorleerlauf den Leistungsbedarf des Verbrauchers (4) und bei Antrieb oberhalb der Motorleerlaufdrehzahl zusätzlich den maximalen Leistungsbedarf der Lüftermotoren (5a, 5b, 5c) deckt.

Description

Flüssigkeitsgekühlte Motoren verwenden zur Kühlung üblicherweise ein Kühlsystem, das unter anderem Kühler für die Motorkühlung und Kühler für die Ladeluftkühlung enthält. Die Kühler werden mit Kühlluft durchströmt, die von einem Kühlerlüfter erzeugt wird, dessen Antriebsenergie von der Brennkraftmaschine geliefert wird.
Weit verbreitet ist der Antrieb der Kühlerlüfter über ein Hydrauliksystem, wozu eine Pumpe an der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und ein Hydromotor, der mit dem Lüfter gekoppelt ist. Diese Systeme haben sich bewährt, erfordern aber einen erheblichen Aufwand an Material, Montage und Kosten.

Im weiteren ist es aus der deutschen Patentanmeldung DE V8863 Ia/46c⁴-19.07.56 bekannt, für den Lüfterantrieb entweder einen Drehstrom- oder einen Gleichstrommotor zu verwenden. Die erforderliche elektrische Leistung liefert ein Generator, der von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Bezüglich der Leistungsregelung ist im Zusammenhang mit einem Gleichstromgenerator ausgeführt, dass die Drehzahl eines Gleichstrom-Gebläsemotors von der jeweiligen Generatorspannung abhängig gemacht wird. Im weiteren ist eine regelbare Strömungskupplung zwischen Gebläse und Antriebsmotor vorgesehen, deren Ölfüllung in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur so verändert wird, dass die Kühlwassertemperatur annähernd konstant bleibt. Zur Regelung der Kühlleistung kann der Gebläsemotor mit Hilfe von Temperaturwächtern außerdem noch ein- und ausgeschaltet werden. Wie die Regelung des Lüfterantriebs bei Verwendung von Drehstrom erfolgt, ist nicht näher ausgeführt.

Aus dem Sonderdruck aus MTZ, Beiheft 1, 1949: „Turboregelkupplung zum Antrieb der Kühlgebläse durch Verbrennungsmotoren von Obering. Fritz Kugel, Heidenheim, geht als bekannt hervor, dass die Drehzahlregelung eines elektrisch angetriebenen Lüftergebläses in der Weise erfolgen kann, dass der Strom für den Elektromotor von einem Generator gespeist wird, dessen Drehzahl elektrisch geregelt wird. Ein derartiger Gebläseantrieb wird jedoch als sehr kostspielig dargestellt, weil die Verwendung zweier elektrischer Maschinen samt den erforderlichen Schalt- und Regelorganen notwendig ist.

In der DE 10 69 427 B ist dargestellt, dass das Gebläse für den Kühler eines Fahrzeugmotors durch einen Elektromotor angetrieben werden kann, der in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur durch einen Thermostat ein- und ausgeschaltet wird, wobei das Gebläse durch den vom Fahrzeugmotor unabhängigen Elektromotor mit konstanter Drehzahl angetrieben wird und mit konstanter Förderleistung arbeitet.

Bei der Ventilatorkühleinrichtung nach der WO 98/45934 A1 wird ein als Asynchronmotor ausgebildeter Lüftermotor mittels Phasenanschnittsteuerung angesteuert. Die Ansteuerschaltung umfasst einen der Ansteuerstufe vorgeschalteten Mikrocontroller, der die zugeführte elektrische Leistung kontrolliert. Die entsprechende Einrichtung wird jedoch im Zusammenhang mit einem Schaltschrank für elektrische Komponenten verwendet.

Aus der US 2,423,929 geht ein Kühlsystem für eine Lokomotive als bekannt hervor. Zum Antrieb der Lüfter dienen Drehstrommotoren, die von einem Drehstromgenerator gespeist werden. Zur Regelung der Kühlleistung können die Lüftermotoren nach und nach zu- bzw. abgeschaltet werden. Zur Erregung des Generators dient eine Spule, die von einer Batterie gespeist wird.

In der US 3,621,822 dient ein Drehstromasynchronmotor zum Antrieb eines Lüfters. Der Drehstromasynchronmotor ist mit einem Drehstromgenerator elektrisch verbunden, der auch dazu dient, nach Gleichrichtung eine konstante Spannung zum Laden einer Batterie abzugeben. Zwischen dem Generator und dem Lüftermotor sind keine Schaltmittel vorgesehen. Der Lüftermotor ist deshalb in Betrieb, solange der Antriebsmotor Strom liefert. Allerdings wird eine Kühlung durch den Lüfter nur im Leerlauf und bei niedrigen Geschwindigkeiten benötigt. Es ist deshalb eine besondere konstruktive Ausgestaltung des Kurzschlussläufermotors vorgesehen, die bewirkt, dass eine Kühlung durch den Lüftermotor oberhalb bestimmter Fahrtgeschwindigkeiten unterbleibt.

Aus dem FR 2 607 187 A1 geht eine weitere Kühlanlage für eine Brennkraftmaschine als bekannt hervor. Hier dient zum Antrieb eines Lüfters ein Asynchron- oder Synchronmotor, der vom Wechselstrom eines Generators gespeist wird. Der Generator lädt ferner eine Batterie, die Strom für eine Spule liefert, mit der der Lüftermotor zu- oder abgeschaltet werden kann. Die Kühlanlage befindet sich in einem Fahrzeug, bei dem oberhalb bestimmter Fahrgeschwindigkeiten zur Kühlung allein die Stauluft genügt, weshalb in entsprechenden Fahrbereichen der Lüfter abgeschaltet wird.

In der WO 92/21866 A1 ist ein Lüfteraggregat dargestellt, das bei Kühlern von dieselelektrischen Lokomotiven oder auch stationären Dieselgeneratoranlagen verwendet werden kann. Den Strom für ein dreiphasiges Bordnetz und die Lüftermotoren liefert ein gemeinsamer Generator. Als Lüftermotoren dienen polumschaltbare Asynchronmotoren. Zur Drehzahlregelung der Antriebsmotoren und damit zur Anpassung der Kühlleistung dienen besondere Regeleinrichtungen.

Aus der US 3,088,327 geht ein Lüfterantrieb als bekannt hervor, bei dem das Übersetzungsverhältnis durch einen variablen Riemenantrieb verändert werden kann.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, unter Verwendung elektrischer Lüfterantriebe ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine aufzuzeigen, das mit einem Minimum an einfachen elektrischen Komponenten eine motorbetriebsabhängige variable Kühlung erlaubt.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Der Leistungsbedarf des Lüfterantriebs und eines weiteren elektrischen Verbrauchers (Bordnetz) wird durch einen gemeinsamen Generator gedeckt, der von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Dieser Generator kann über einen speziellen Hilfsabtrieb angetrieben werden oder er kann bei dieselelektrischer Leistungsübertragung auch im Hauptgenerator für die Traktion integriert sein. Für die Erfindung wird die Erkenntnis genutzt, dass bei Leerlauf der Brennkraftmaschine der Lüfterantrieb kaum Leistung anfordert, während der weitere Verbraucher bereits die volle Leistung benötigt. Das Leistungspotential des Generators oberhalb der Motorleerlaufdrehzahl wird somit im wesentlichen zur Deckung des Leistungsbedarfs der Kühlerlüfter genutzt. Die Verwendung insbesondere von Asynchronmotoren beim Lüfterantrieb, deren Drehzahl der jeweiligen Brennkraftmaschinendrehzahl proportional ist, gestattet ihre unmittelbare Ansteuerung mit dem vom Generator erzeugten Drehstrom. Es wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, dass der Kühlluftstrom proportional zur Motordrehzahl ansteigt und dem Kühlbedarf ohne zusätzliche Regelorgane genügt. Vorzugsweise wird der Generator mit einem Übersetzungsverhältnis ins Schnelle angetrieben, sofern er nicht im Traktionsgenerator integriert ist. Die Wirtschaftlichkeit wird erhöht, wenn zur Berücksichtigung des Minderbedarfs an Kühlluft bei besonderen Betriebszuständen, wie im Winter, sowie Teillastbetrieb eine Ein-/Ausschaltregelung vorgesehen ist, die jedoch von Aufwand und Kosten einfach ist. Als Regelgröße wird die Motorkühlmitteltemperatur herangezogen. Im Falle eines für die Ladeluftkühlung verwendeten Lüfters ist vorgesehen, dass seine Zuschaltung erst bei einer Motorenleistung ab ca. 50 % der Volllast erfolgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 Eine Schemazeichnung, die einen Dieselmotor, die wesentlichen Komponenten des Kühlsystems und der elektrischen Komponenten zeigt;
2 Ein Schaubild mit Darstellung des Leistungsbedarfs von Bordnetz und Kühlerlüfter abhängig von der Motordrehzahl.
Die Komponenten des Kühlsystems und des elektrischen Systems sind in 1 dargestellt. Ein Dieselmotor 2 treibt einen Hilfsabtrieb 1 an, der wiederum über einen Keilriemen einen Generator 3 antreibt. Der Generator 3 liefert Drehstrom mit einer der jeweiligen Motordrehzahl proportionalen Frequenz. Anstelle des Generators 3 kann auch ein im Hauptgenerator 15 für die dieselelektrische Traktion integrierter Generator 3' dienen. Der Drehstrom wird für einen Verbraucher 4 (Bordnetz) mittels eines Gleichrichters 5 für die Übergabe umgeformt. Im Falle, dass der Verbraucher 4 Wechselstrom erfordert, ist noch eine Wechselrichterstufe nachzuschalten, die jedoch nicht dargestellt ist. Weiterhin wird Drehstrom variabler Frequenz über elektrische Leitungen 6 von den elektrischen Lüftermotoren 5a, 5b und 5c der Lüfter 9a, 9b, 9c bezogen. Die Lüfter 9a und 9b fördern Kühlluft durch die Motorwasserkühler 7a und 7d. Der Lüfter 9c ist einem Ladeluftkühler 7c zugeordnet. Die elektrischen Leitungen 6 zu den Lüftermotoren können durch Schalter 11a, 11b und 11c und ihnen zugeordneten Betätigungsgliedern unterbrochen werden. Mit den Schaltern 11a, 11b und 11c sind Steuerleitungen 12, 12a, 12b und 12c verbunden, die mit Signalgebern 13a und 13c verbunden sind. Der Signalgeber 13a erzeugt ein dem Motorkühlwasser proportionales Signal. Der Signalgeber 13c erzeugt ein die Ladelufttemperatur charakterisierendes Signal. Die Lüftermotoren 5a, 5b, 5c sind als Asynchronmotoren ausgebildet und folgen deshalb in ihrer Drehzahl immer der jeweiligen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine 2. Der Generator 3 wird nicht direkt von der Kurbelwelle sondern über einen Keilriemen, vorzugsweise mit einem Übersetzungsverhältnis ins Schnelle angetrieben, um Bauraum und Gewicht von Generator und Lüftermotoren niedrig zu halten.
Mit 2 sind die Leistungsanforderungen für Verbraucher 4 (Bordstromnetz) und Lüftermotoren 9a, 9b, 9c in Abhängigkeit von der Motordrehzahl in einem Schaubild dargestellt. Daraus ist zu entnehmen, dass fast die volle Leistung des Verbrauchers 4 bereits bei Motorleerlaufdrehzahl benötigt werden kann, dann aber bei steigender Drehzahl nicht mehr wesentlich zunimmt (Kurve 20). Ein derartiges Anforderungsprofil besteht beispielsweise bei Lokomotiven oder Triebwagen im Bahnhof und in Fahrt. Bei Leerlauf fordern die Lüfter dagegen kaum Leistung an, steigern dann aber mit zunehmender Motordrehzahl ihren Bedarf (Kurve 21). Das überschüssige Leistungspotential des Generators kann somit für den Antrieb der Kühlerlüfter genutzt werden. Voraussetzung ist natürlich, dass das Bedarfsprofil für die Kühlleistung und damit die Leistung der Lüftermotoren 5a, 5b, 5c dem des Angebots des Generators 3 entspricht bzw. daran angeglichen wird. Im Gegensatz zum Kühlsystem mit hydraulischem Lüfterantrieb, wo das Leistungspotential des dennoch vorhandenen Generators oberhalb der Motorleerlaufdrehzahl ungenutzt bleibt, wird beim erfindungsgemäßen Kühlsystem mit dem Generator 3 eine ohnehin benötigte Komponente zusätzlich bei der Kühlung genutzt, was eine bedeutende Einsparung an Bauraum, Gewicht und Kosten sowie eine außerordentliche Vereinfachung bedeutet.
Voraussetzung für die erfinderische Kombination der Komponenten war die Erkenntnis, dass der Kühlluftbedarf mit ungesteuerten Asynchronmotoren gedeckt werden kann. Dagegen wird im Stand der Technik immer davon ausgegangen, dass ein elektrischer Antrieb der Kühlerlüfter zwangsläufig eine Frequenzregelung nach sich zieht, was aufwendige Geräte wie Gleichstrommotoren bzw. über Frequenzumrichter gesteuerte Asynchronmotoren erforderlich macht. Tatsächlich hat sich herausgestellt, dass der Kühlluftbedarf mit dem Leistungsangebot eines einfachen, nicht frequenzgeregelten Drehstromantriebs darstellbar ist. Mit anderen Worten heißt das, dass die erforderliche Luftmenge etwa proportional der Motordrehzahl ist. Von dieser Tatsache wird im übrigen bei direktem Lüfterantrieb von der Kurbelwelle her schon seit langem Gebrauch gemacht. Die erforderliche Kühlluftmenge kann sowohl für Motorkühlung als auch für die Ladeluftkühlung dargestellt werden. Allerdings setzt der Kühlbedarf für Ladeluftkühlung erst erheblich oberhalb der Leerlaufdrehzahl ein.
Die vorstehend dargestellte Einrichtung ist in bestimmten Lastzuständen unter Umständen unwirtschaftlich, nämlich insbesondere im Winterbetrieb und bei Teillast. Es ist deshalb zweckmäßig, Schalter 5a, 5b, 5c wie in 1 dargestellt, vorzusehen, die die Stromzufuhr zu den Lüftermotoren 9a, 9b, 9c bei geringem Kühlluftbedarf ausschalten bzw. bei größerem Kühlluftbedarf zuschalten. Regelgröße ist für die Regelung der Motorkühlung vorzugsweise die Temperatur des Motorkühlmittels (Schalter 11a, 11b).
Für die Ladeluftkühlung ist der Schalter 11c zur Zu- und Abschaltung des Lüftermotors 5c zur Anpassung des Kühlmittelbedarfs vorgesehen. Die Ein- und Ausschalttemperaturen sind hinsichtlich der Schaltpunkte und Schaltpunktabstand so gewählt, dass der Lüfter 9c bis zu Motorleistungen bis 50 % der Volllast (abhängig von der Außentemperatur) nicht dreht. Dagegen ist der Lüfter 9c während höherer Belastung, wo die Außentemperatur weniger dominant ist, meist in Betrieb. Dadurch wird erreicht, dass nur wenige Schaltvorgänge notwendig sind.
Die dargestellten Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die Kombination eines Generators mit Verbrauchern mit drehzahlkonstantem und drehzahlproportionalem Leistungsbedarf. Voraussetzung ist die Verwendung von Asynchronmotoren für die Lüfter, die proportional zur Motordrehzahl angetrieben werden. Es entfallen aufwendige und kostenintensive Einrichtungen zur Frequenzregelung. In bestimmten Betriebszuständen, in denen eine maximale Kühlung nicht erforderlich ist, können zur ergänzenden Regelung einfache Einrichtungen zur Zu- und Abschaltung der Lüftermotoren vorgesehen sein.

Claims

Brennkraftmaschine (2) für ein Fahrzeug mit einer Kühler (7a, 7b, 7c) und elektrisch angetriebene Kühlerlüfter (9a, 9b, 9c) enthaltenden Kühlanlage, sowie mit von der Brennkraftmaschine (2) angetriebenem Generator (3, 3') zur Erzeugung von Drehstrom mit einer der jeweiligen Motordrehzahl proportionalen Frequenz, wobei der erzeugte Drehstrom für den Antrieb der Kühlerlüfter (9a, 9b, 9c) genutzt wird, und wobei für den Antrieb der Kühlerlüfter (9a, 9b, 9c) elektrische Lüftermotoren (5a, 5b, 5c), insbesondere Asynchronmotoren, deren Drehzahl der Motordrehzahl proportional ist, benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstromgenerator (3, 3') mit einem Verbraucher (4) mit im wesentlichen konstantem Leistungsbedarf und mit den elektrischen Lüftermotoren (5a, 5b, 5c) gekoppelt ist, wobei der Drehstromgenerator (3, 3') bei Antrieb im Motorleerlauf den Leistungsbedarf des Verbrauchers (4) und bei Antrieb oberhalb der Motorleerlaufdrehzahl zusätzlich den maximalen Leistungsbedarf der Lüftermotoren (5a, 5b, 5c) deckt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (3) mit einem Hilfsabtrieb (1) gekoppelt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dieselelektrischer Traktion der Generator (3') im Hauptgenerator (15) für Traktion integriert ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (3) zum Hochfahren mit einer Übersetzung versehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung des Kühlluftbedarfs an die Betriebszustände der Brennkraftmaschine (2) (Winterbetrieb oder Teillastbetrieb) eine Ein- und Ausschaltregelung der Lüftermotoren (5a, 5b, 5c) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein-/Ausschaltregelung durch die Motorkühlmitteltemperatur als Regelgröße ansteuerbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Ladeluftkühlung verwendete Kühlerlüfter (9c) (9c) erst bei einer Brennkraftmaschinenleistung von ca. 50 % der Volllast zuschaltbar ist.